类航天飞机前身结构与高超声速流场的耦合传热模拟分析

开展了高超声速流场与结构温度场的耦合数值计算.流场部分求解了三维非定常全Navier-Stokes(N-S)方程,空间差分采用Harten-Yee的TVD(总变差衰减)格式,时间离散采用双时间步推进.固体结构传热部分求解了三维非稳态的热传导方程.通过流固交界面,流体从固体部分得到温度边界条件,固体从流体部分得到热流边界条件,从而实现流场和固体温度场的紧耦合计算.用绕无限长圆柱的气动加热计算验证了该算法的有效性,并对类航天飞机前身结构在气动加热过程中的温度变化做了比较详细的分析.计算结果表明,固体结构在遭遇到气动加热后的一段时间内,壁面温升对壁面热流的影响是很大的,由于一体化计算能很好的综合考虑热壁的影响,因此,开展一体化计算是很有必要的.      

涡轮叶片内部冷却通道传热和压力 分布特性的实验

针对带45°肋片圆形弯头U型通道进行了传热和压力分布特性的实验研究.实验中进口雷诺数变化范围在30000~55000之间.研究表明,肋片引起的横向二次流在弯头前区域是强化传热的主要因素.不同雷诺数下传热分布和压力分布的趋势完全一致,但弯头区后半段上传热分布有所差异.通道中的最大压降出现在弯头区,进口雷诺数越大,弯头损失系数和总损失系数都有所减小.流体在圆形弯头中,加速效果没有矩形弯头强烈,弯头区和弯头后的传热较矩形弯头都有较大幅度地减小.      

加热器喷管热-流耦合传热分析

针对加热器喷管中复杂的气、固、液多相流动传热问题,建立了三维热流耦合换热计算模型,分别对燃气、冷却剂和喷管室壁建立不同的控制方程,将辐射热量作为源项加入到方程中,进行流动和传热的耦合计算.采用此方法对美国AEDC(Arnold Engineering Development Center)喷管的流动传热过程进行了计算,数值计算结果与试验结果吻合较好.在此基础上对某超燃冲压发动机试验台水冷式加热器喷管的换热问题进行了三维数值模拟,并定量分析了辐射换热对加热器喷管壁面温度分布的影响.结果表明:冷却水流量取2.0 kg/s时,加热器喷管气壁最高温度为660K,膜温度为430 K,加热器能可靠冷却,其热效率满足试验要求,对于含有H2O和CO2这样的高温燃气,辐射热量对喷管壁面温度分布有较大影响,必须引入到温度场的求解之中.     

一种新的界面处理方法在气固耦合传热中的应用

对于高超声速流场和固体结构温度场的耦合传热问题,推导出了一种新的界面耦合处理方法,通过在流固交界面上求解由狄里科利和牛顿边界条件得出的偏微分方程,把对流体和固体两个区域的影响显式地体现在交界面方程中,并对该方法进行了稳定性分析.分析表明:该方法相比于传统的耦合迭代方法有更好的稳定性.将这套算法成功应用于绕无限长圆柱的气动加热计算中,对圆柱在气动加热过程中的温度变化做了比较详细的分析.     

液氮贮箱常压停放实验与数值仿真

为研究低温推进剂的常压停放过程,设计了可视化液氮贮箱实验系统。实验中研究充填率和环境温度对液氮汽化量的影响,并测量贮箱内流体和贮箱外壁面的温度随时间和位置的变化。实验得出贮箱常压停放过程,相变主要在壁面和气液界面产生,并且气枕区存在温度分层,距出口位置越近温度越高;而液体区温度基本一致,处于饱和状态。贮箱外壁面在轴向的温度分布显著不同,处于液体区壁面温度低。运用分子动力学推导出的Hertz-Knudsen公式作为气液相变的传热传质源项,并据实验测得温度边界条件,采用混合物模型对贮箱常压停放状态进行30 min的数值仿真。仿真得到结果显示体积汽化速率与实验数据的偏差在5%以内,液体区的温度仿真与实验的偏差在0.15 K左右。      

夜侧极区电离层对流对行星际激波的响应

利用超级双子极光雷达网（Super Dual Aurora Radar Network,SuperDARN）高频雷达、北半球IMAGE地磁台链以及南极中山站的极光观测数据,研究电离层对流对2012年7月14日一个行星际激波扰动事件的响应.在18:10UT行星际激波到达地球并与磁层相互作用触发地磁急始和磁层亚暴,SuperDARN雷达观测到北半球夜侧极区电离层对流显著增强,观测视野覆盖黄河站的Hankasalmi雷达观测到从激波到达地球至18:33UT,电离层F层出现剧烈扰动,雷达回波数明显增多,并出现局部对流速度反转现象.18:33UT之后,观测到F层出现三块速度高达600m·s-1的逆阳运动不规则体.而与Hankasalmi雷达地磁共轭的南半球Kerguelen雷达探测到的回波主要来自E层,回波数量几乎无变化,但是Kerguelen雷达观测视野内的中山站全天空光学成像仪观测到极光活动显著增强.南北半球夜侧电离层观测结果的差异,主要是由于它们分别处于极夜和极昼.      

粘性流体对流换热问题用直角坐标网格的解法

研究了非结构化直角坐标网格全贴体求解粘性不可压流体自然对流换热问题。该方法在于利用直角坐标网格但通过在边界附近保留不规则控制体,使得算法是完全贴体的。利用此数值方法对二维倾斜空腔内的自然对流及上固体边界移动时的对流换热问题进行计算,并与STAR-CD的计算结果进行比较。对比结果表明,该方法计算的结果与STAR-CD的结果很接近,可以满足一定精度要求。      

低压涡轮叶片内冷通道不同强化换热方案的换热特性

利用数值计算和实验相结合的方法,对原型涡轮叶片、改进型叶片和简化后的内冷却通道的模型进行了研究。结果表明,改进的内部冷却通道结构较原型结构冷却效果提高了约7.8%。这种结构改型不但可以强化整个通道的换热,使叶片平均温度降低,同时还可以改善壁面温度的分布,消除局部过热产生的热应力。      

深冷环路热管传热性能研究

通过实验,从超临界启动特性、传热能力、周期性载荷适应能力等方面,对自行设计的一套小型深冷环路热管进行了研究,并对实验现象进行了描述与分析。结果表明该深冷环路热管能够顺利完成超临界启动过程,且副蒸发器功率越大,主蒸发器降温越迅速;完成启动后主蒸发器具有独立运行能力,主蒸发器独立运行时具有12W×0.5m的传热能力;该深冷环路热管对周期性载荷具有很好的适应能力。     

用数值模拟的方法研究磁暴主相期间影响环电流分布特征的要素

环电流是距离地心2～7 Re的带电粒子围绕地球西向漂移形成的.环电流的增强将引起全球磁场的降低,反映了地磁暴的强度.磁暴主相期间,对流电场驱动等离子体片中的能量粒子经历E×B漂移与俘获注入环电流,进入损失锥的粒子沉降到大气中.本文采用磁暴主相期间环电流离子分布的模型,结合上述因素研究不同离子能量下对流电场对环电流离子通量的直接影响,以及强弱对流电场下环电流能量离子投掷角的变化,并从物理上阐述造成此种通量分布特性的原因.